半導體結構、形成方法以及場效應晶體管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體技術以及半導體制造領域，具體而言，本發(fā)明涉及半導體結構、形成半導體結構的方法以及場效應晶體管。
【背景技術】
[0002]金屬-半導體接觸勢皇場效應晶體管(MESFET)是目前應用較廣泛的一種場效應晶體管。然而，作為一種利用肖特基勢皇柵極的晶體管，其柵漏電較大。為了解決這一技術問題，通常在柵中加入絕緣層形成金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管(MISFET)，以改善場效應晶體管的漏電。
[0003]以氮化鎵(6&1^)為代表的氮化物半導體系列材料(6&111^&1416&11_以及八1~等)具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩(wěn)定性好(幾乎不被任何酸腐蝕)等性質和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景，被廣泛地應用于制備各類電子開關以及各類信號放大器。
[0004]通常，氮化物半導體材料具有密排六方晶體結構，根據晶片表面與晶體c軸之間的相對位置關系，由于自發(fā)極化效應，其表面可以分為極性面(垂直于c軸)、非極性面(平行于c軸)以及半極性面(不平行也不垂直于c軸)。例如，以氮化鎵為例，{0001}晶面(又稱為c面)為極性面，{11}晶面和{1120}(分別稱為m面和a面)為非極性面，{110 2}晶面(又稱為r面)為半極性面。
[0005]在氮化鎵系列材料表面利用磁控濺射、原子層沉積等方法，可以制備具有不同界面特性的半導體結構。然而，應用于MISFET的半導體結構以及MISFET的結構、組成仍有待改進。

【發(fā)明內容】

[0006]本申請是基于發(fā)明人對以下事實和問題的發(fā)現和認識做出的:
[0007]目前基于氮化物半導體系列材料的MISFET，常常存在界面性能差、閾值電壓不穩(wěn)定、漏電較大等缺點。發(fā)明人發(fā)現，這是由于MISFET對于絕緣層以及半導體層之間的界面態(tài)要求較高，而目前基于氮化物半導體系列材料的MISFET，即使在極性面表面增加絕緣氮化物的鈍化層，上述問題仍不能得到有效解決。發(fā)明人經過深入研究以及大量實驗發(fā)現，這是由于具有極性表面(c面)的氮化物半導體材料表面具有很強的極性，因此，一方面，界面極易吸附氧原子，使材料表面的金屬原子與氧原子形成不穩(wěn)定化學鍵，如Ga-O鍵，該鍵易帶電荷，成為載流子的產生和復合中心，造成界面態(tài)密度高；另一方面，界面極易吸附可移動電荷，從而造成該半導體結構的界面缺陷多，界面性能變差。尤其針對場效應晶體管，界面性能差，界面態(tài)密度高，將導致晶體管的嚴重漏電。
[0008]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種半導體結構，該半導體結構在半導體層材料的非極性面或者半極性面上形成絕緣層，利用非極性面或者半極性面對于氧原子和可移動電荷的吸附作用較弱的性質，提高該半導體結構的界面性能。
[0009]在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種半導體結構。根據本發(fā)明的實施例，該半導體結構包括:半導體層，所述半導體層上表面的至少一部分是由氮化物半導體晶體形成的非極性面或者半極性面;絕緣層，所述絕緣層形成在所述非極性面或半極性面上，并且所述絕緣層是由選自氮化物以及氮氧化物的至少之一形成的；以及金屬層，所述金屬層形成在所述絕緣層遠離所述半導體層的表面上。由此，可以在非極性面或半極性面的半導體層表面形成絕緣層，在絕緣層對半導體層進行鈍化，從而可以有效防止半導體層表面形成不穩(wěn)定的化學鍵，并改善界面質量，進而可以有效提高該半導體結構的界面性能。
[0010]另外，根據本發(fā)明實施例的半導體結構還可以具有如下附加技術特征的至少之
[0011]根據本發(fā)明的實施例，在該半導體結構中，所述半導體層包括至少一個晶體亞層，所述晶體亞層是由包括選自GaN晶體、InGaN晶體、AlGaN晶體以及AlN晶體中的至少之一形成的。由此，可以通過具有上述晶體亞層的半導體層，為該半導體結構提供具有較高電子迀移率以及較高的擊穿場強的半導體層材料，進而可以進一步提高該半導體結構的性能。具體地，所述晶體亞層可以生長在硅基體、碳化硅基體、或者藍寶石基體上，也可以生長在氮化鎵自支撐晶片或者氮化鋁自支撐晶片上。
[0012]根據本發(fā)明的實施例，在該半導體結構中，所述半導體層為氮化鎵晶片或者氮化鋁晶片。具體地，所述半導體層可以為氮化鎵自支撐晶片、硅基氮化鎵晶片、碳化硅基氮化嫁晶片、監(jiān)寶石基氣化嫁晶片、氣化招自支撐晶片、娃基氣化招晶片、碳化娃基氣化招晶片或者藍寶石基氮化鋁晶片。上述晶片材料來源廣泛，容易獲得，進而可以擴展該半導體結構的應用范圍。
[0013]根據本發(fā)明的實施例，在該半導體結構中，所述絕緣層為非晶態(tài)。由此，一方面可以利用制備常規(guī)介質層的技術和設備來制備絕緣層，簡化絕緣層的制備工藝和設備要求；另一方面，由非晶態(tài)材料構成絕緣層，可以改善界面缺陷，進一步提高該半導體結構的界面性能。
[0014]根據本發(fā)明的實施例，在該半導體結構中，所述絕緣層是由氮化鋁或氮氧化鋁形成的。由此可以進一步提高該半導體結構的界面性能。
[0015]根據本發(fā)明的實施例，在該半導體結構中，所述絕緣層的厚度為2?lOOnm。對于常規(guī)的低壓器件，絕緣層厚度可以控制在2-10nm范圍內，既利用適當厚度的絕緣層改善界面質量，又防止過厚的絕緣層降低柵介質的電容，進而防止因柵控能力的減弱而造成該半導體結構的漏電增加。對于高壓器件，電壓達到數百甚至數千伏，此時絕緣層厚度可以控制在數十納米的范圍。
[0016]根據本發(fā)明的實施例，在該半導體結構中，所述絕緣層是通過原子層沉積技術形成的。原子層沉積是制備柵介質薄膜的最常用方法，工藝成本較低，通過這種技術沉積絕緣層，一方面可以嚴格控制絕緣層厚度以及組成，進而可以保障該半導體結構的性能;又一方面，因工藝簡化，原子層沉積的設備成本低，可以降低成本。
[0017]在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出了一種金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管。根據本發(fā)明的實施例，該場效應晶體管包含前面所述的半導體結構。該場效應晶體管以非極性的氮化物半導體材料為溝道，具有金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管(MISFET)結構。由此，可以利用前面描述的半導體結構為該場效應晶體管提供具有優(yōu)良的界面性能的半導體結構，進而可以提高該場效應晶體管的性能，獲得高性能的基于非極性的氮化物半導體材料為溝道的MISFET器件。
[0018]在本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提出了一種形成半導體結構的方法。根據本發(fā)明的實施例，該方法包括:(I)提供半導體層，所述半導體層上表面的至少一部分是由氮化物半導體晶體形成的非極性面或者半極性面；(2)在所述半導體層的非極性面或者半極性面設置絕緣層；以及(3)在所述絕緣層遠離所述半導體層的表面設置金屬層。由此，可以在半導體層的非極性面或半極性面上形成半導體結構，進而可以有效防止由于半導體層表面的強極性而導致半導體層表面形成不穩(wěn)定的化學鍵，并改善界面對可移動電荷的吸附作用，進而可以提高形成的半導體結構的界面性能。
[0019]另外，根據本發(fā)明實施例的形成半導體